Zusammenfassung für die 2. Technologieschulaufgabe

Zusammenfassung für die 2. Technologieschulaufgabe
Atomphysik und Atomkraftwerke
Radioaktivität und Strahlungsarten
Radioaktivität ist die Fähigkeit bestimmter Kernarten, sich unter Aussendung von Strahlung
umzuwandeln. Dies ist nicht durch äußere Einwirkungen beeinflussbar und wird als radioaktiver
Zerfall bezeichnet.
Strahlung
Art
α-Strahlung
Heliumkerne
4
2
4
2
α = He
Kernumwandlung
A
Z
4
K 1 → A−4
Z −2 K 2 + 2α
β-Strahlung
Elektron
0
−1
elektromagnetische
Welle (Photon)
0
−1
β= e
0
0
γ
herausgeschleudertes
Elektron entsteht bei
Umwandlung von
Neutron in Proton und
Elektron
A
Z
A
γ-Strahlung
Kern geht lediglich aus
einem angeregten in
einen energieärmeren
Zustand über
0
K 1 → Z +1K 2 + −1 β
Reichweite in Luft
einige cm
einige cm
groß
Abschirmung
Blatt Papier
Metallbleche, Plexiglas Bleiplatten
Durchdringungsvermögen
gering
größer
groß
Ionisationsvermögen
10⁵
10²
1
Geschwindigkeit
5 – 10 %
Lichtgeschwindigkeit
bis nahe
Lichtgeschwindigkeit
Lichtgeschwindigkeit
Auftreten
nur bei Kernen mit
hoher Massenzahl (A >
200)
tritt bei Kernen mit
relativen
Neutronenüberschuss
auf
üblicherweise
Begleiterscheinung des
α- oder β-Zerfalls
Bindungsenergie
Bindungsenergie ist der Energiebetrag, der beim Aufbau des Kerns aus seinen Bestandteilen frei wird
und der umgekehrt zur Zerlegung des Kerns in die einzelnen Nukleonen aufgewendet werden muss.
Dividiert man die Bindungsenergie des Kerns durch die Anzahl seiner Nukleonen, so erhält man die
Bindungsenergie pro Nukleon.
Die bei Kernreaktionen freiwerdende Energie ist um einen Faktor von rund 10⁶ größer als die bei
chemischen Reaktionen.
Massendefekt
Die Masse eines Nuklids ist stets kleiner als die Summe der Nukleonenmassen. Diese Differenz
bezeichnet man als Massendefekt.
Berechnung des Massendefekts der Sonne pro Sekunde mithilfe der Solarkonstanten:
S0
S
4 r 2Erdbahn⋅π⋅ 0
E
Δt
Δt
Δ m Sonne = 2 =
=
2
2
c
c
c
O⋅
Berechnung der Zeitdauer, die die Sonne benötigt, um den Jahresenergiebedarf der Erde zu decken:
Δt=
E PEV
E PEV
E
=
= 2 PEV
P Sonne A Querschnitt Erde⋅S 0 r Erde⋅π⋅S 0
Kernspaltung
Der Angeregte Zustand
Fängt ein stabiler Kern ein Neutron ein, wird ihm ein bestimmter Energiebetrag - die sogenannte
Anregungsenergie – zugeführt, die aus kinetischer Energie und Bindungsenergie des eingefangenen
Neutrons (Anlagerungsenergie) besteht.
Für thermische Neutronen (Ekin < 1 eV) ist die zugeführte kinetische Energie vernachlässigbar
gegenüber der Bindungsenergie.
Im angeregten Zustand kann der Kern die mannigfaltisten Deformationsbewegungen ausführen. Bei
Überschreitung der sogenannten kritischen Energie zerfällt der Kern in zwei Teile bzw. wird
gespalten.
Thermische und schnelle Spaltung
• Kerne wie 235U , deren kritische Energie kleiner als die Anlagerungsenergie
(Bindungsenergie des eingefangenen Neutrons) ist, sind mit thermischen Neutronen spaltbar.
•
Bei anderen Kernen wie 238U muss der fehlende Betrag als kinetische Energie des
spaltenden Neutrons zugeführt werden.
Spaltneutronen
Das Neutronen-Protonenverhältnis nimmt mit steigender Massenzahl zu. Bei der Spaltung eines
schweren Kerns muss also mindestens ein Spaltbruchstück einen starken Neutronenüberschuss
haben. Da beide Bruchstücke sich in hoch angeregtem Zustand befinden, ist die notwendige Energie
für eine Emission von Partikeln vorhanden. Somit werden unmittelbar nach der Entstehung der
Spaltbruchstücke Neutronen emittiert. Im Mittel werden 2 bis 3 Neutronen pro thermischer
Spaltung frei.
Reaktionen zwischen Neutronen und Atomkernen
Wirkungsquerschnitt
Maß für die Wahrscheinlichkeit, mit der das Eintreten einer Kernreaktionen erwartet werden kann.
Multiplikationsfaktor
• Verhältnis der Neutronenanzahlen in zwei aufeinanderfolgenden Generationen:
k=
•
Anzahl der Neutronen einer Generation
Anzahl der Neutronen der vorhergehenden Generation
Für k < 1 erlischt die Kettenreaktion, für k = 1 bleibt sie konstant und für k > 1 schwillt sie
fortwährend an.
Moderator
• verlangsamt Neutronen durch elastische Stöße
•
Wirkungsquerschnitt von U-235 nur hoch genug für kontinuierliche Kettenreaktion bei
thermischer Spaltung, also mit langsamen Neutronen
•
leichte Stoffe wie Wasser geeignet
Regelung der Kettenreaktion
• Es muss sichergestellt werden, dass jeweils nur ein freiwerdendes Neutron eine weitere
Spaltung herbeiführt, die restlichen freiwerdenden Neutronen müssen absorbiert werden.
•
U-238 und Kerne von Spaltprodukten absorbieren Neutronen.
•
Zur zusätzlichen Absorptionsregelung werden Materialien mit hoher Neigung zur
Neutronenabsorption verwendet (z. B. Legierungen mit Bor/Indium/Cadmium/Silber).
•
Zur Langzeitregelung werden auch sog. Reaktorgifte verwendet (z. B. Gadolinium,
Dysprosium).
Kernreaktoren
Vorrichtungen, in denen eine gesteuerte Kettenreaktion abläuft
Bei Leichtwasserreaktoren (Reaktoren, in denen leichtes Wasser als Kühlmittel und Moderator
eingesetzt wird) wird zwischen Druck- und Siedewasserreaktoren unterschieden.
Druckwasserreaktor
• Um Sieden zu verhindern wird Betriebsdruck im Hauptkühlkreis auf ca. 158 bar heraufgesetzt
•
Wasser tritt mit ca. 288 °C in Reaktor ein und verlässt ihn mit ca. 316 °C
•
Erhitztes Wasser gibt Wärme in Dampferzeugern an das Wasser eines Sekundärkreislaufes ab
•
Wasser im Sekundärkreislaufes verdampft (mit dem Dampf kann Turbine angetrieben
werden)
•
Im Kondensator wird aus Turbine austretender Dampf wieder verflüssigt.
•
Durch zweiten Wasserkreislauf wird erreicht, dass die im Reaktorkühlmittel auftretende
radioaktive Stoffe nicht in die Turbine und den Kondensator gelangen.
Siedewasserreaktor
• Wasser strömt von unten nach oben durch den Reaktorkern und führt dabei Wärme ab
→ ein Teil des Wassers verdampft
•
Dampf wird direkt Turbine zugeführt
•
Im Kondensator wird aus Turbine austretender Dampf wieder verflüssigt
•
Dampf ist nicht frei von radioaktiven Verunreinigungen → Maschinenhaus muss in
Sicherheitsabschirmung einbezogen sein
Begriffe zur Sicherheitstechnik
Alle Schaltelemente und für den Betrieb nötigen Antriebe sind mehrfach ausgelegt.
Redundanz: mehrfaches Vorhandensein, z. B. nicht ein Ventil sondern mehrere parallel geschaltete
Diversität: Verwendung unterschiedlicher Ausführungen, z. B. hydraulischer Antrieb, Elektromotor
und manueller Antrieb